Резонансные явления в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов

Как следует из приведенных формул, при частоте переменной ЭДС ω, равной

,

амплитудное значение силы тока в колебательном контуре, принимает максимальное значение . При этом амплитуда напряжения на активном сопротивлении R также максимальна и равна U_R0 =I _0max R = E₀. Падения напряжения на емкости U_C и индуктивности U_L одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе, и они взаимно компенсируют друг друга. Это явление, имеющее место в последовательномколебательном контуре, изображенном на рис.16.5, называется резонансом напряжений. Векторная диаграмма, соответствующая этому случаю, показана на рис.16.7.

X

ось токов

UL0

UC0

UR0=E0

Рис.16.7. Векторная диаграмма при резонансе напряжений.

Максимальное значение амплитуды напряжения на конденсаторе U_C0(ω) достигается при частоте

.

Резонансные кривые для U_C0(ω) представлены на рис.16.8. Максимум получается тем выше и острее, чем меньше коэффициент затухания β, то есть чем меньше активное сопротивление R и больше индуктивность контура L.

Рис.16.8. Резонансные кривые U_C0(ω).

Если источник переменной ЭДС подключить параллельно конденсатору, то получим колебательный контур, который называется параллельным (рис.16.9).

С

L

R

ЕЕЕЕЕЕ

Е

Рис.16.9. Параллельный колебательный RLC-контур.

В таком контуре при наблюдается другое резонансное явление, получившее название резонанса токов. При резонансе токов токи, текущие через емкость и индуктивность одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе. При этом общий ток в цепи ЭДС близок к нулю, хотя токи в самом контуре могут быть очень велики. Векторная диаграмма, соответствующая этому случаю, приведена на рис.16.10.

X

ось напряжений

UC0

UL0

I0=0

Рис.16.10. Векторная диаграмма при резонансе токов.

Можно показать, что при резонансе токов полное сопротивление Z(ω) параллельного контура максимально и равно чисто активному сопротивлению R. Резонансная частота, при которой Z(ω) максимально, определяется из условия равенства нулю реактивной части комплексного сопротивления :

ωL(1 – ω²LC) – ωCR² = 0,

откуда

.

Резонансные кривые для амплитудных значений I_C0(ω) тока, текущего через конденсатор, приведены на рис.16.11.

Рис.16.11. Резонансные кривые I_C0(ω).

Резонансные явления в колебательных контурах широко используются в электро- и радиотехнике (резонансные усилители, частотные фильтры и другие). В частности, явление резонанса используется для выделения из сложного сигнала нужной частотной составляющей. Настроив контур (путем изменения его параметров C и/или L) на одну из выбранных частот, можно получить на конденсаторе напряжение, в Q раз превышающее величину напряжения данной частотной составляющей (см. рис.16.8). Такой процесс осуществляется, например, при настройке радиоприемника на нужную длину волны.